多阶模式瑞利波频散特征与反演研究

摘要

面波勘探是浅层横波速度结构探测的一项重要无损检测工具,它包括野外数据采集、面波频散数据提取和横波速度反演三个步骤。反演横波速度是面波勘探的最终目的,也是三个步骤中最重要的一步。它包含两部分内容:第一是正演计算,即假定速度模型计算理论频散曲线；第二是最优化算法,即通过迭代寻找与野外数据拟合最好的理论速度模型。三个步骤中每一步处理的精度如何都将影响到最终的反演精度。另外,针对目前面波反演多数是只用基阶模式的频散曲线进行反演,有的甚至仍沿用最初的半波长近似法、拐点法、渐近线法等,这些方法简单、粗糙、主观性强,用到的仅是横波速度Vs与瑞利波速度VR的近似计算关系,并非真正意义上的反演,所以解释结果误差大。而面波频散往往存在多个模式,高阶模式的瑞利波有时携带了关于介质更多的信息,特别是在低速层存在时,高频段能量几乎是高阶模式居于主导地位。因此在反演中应同时考虑基阶模式和高阶模式的频散曲线。本文从多阶模式频散曲线的正演计算及特征分析、瑞利波场有限差分数值模拟、多阶模式频散数据的反演算法及提高反演非唯一性的措施、从野外实际数据中提取多阶模式频散曲线的方法等几个方面进行了深入的探讨、分析和研究。本文的研究是在国家863计划的资助下完成的,是“十五”863计划前沿探索课题(A类)“反射地震面波提取与浅层结构探测技术”(2005AA615010)的延续,属该课题的后续研究。通过本文的研究取得如下研究成果和结论:
　　 1、实现了Thomson-Haskells算法,并在此基础上对频散函数进行了改进,使其适于海洋模型频散曲线的计算,得到了存在上覆液体表层情况下的多阶模式面波频散曲线。实现了瑞利波场的高阶交错网格有限差分数值模拟,并将模拟单炮记录提取的频散曲线与用频散函数计算的理论频散曲线相对照,探讨分析了瑞利波各模式的实际激发情况。
　　 2、对存在上覆液体层时的两层、三层以及低速夹层的固体层状介质海洋模型做了波场模拟和频散曲线的计算,分析了当上覆液体表层的厚度变化时多阶模式面波频散曲线特征,并用波场模拟结果对其进行验证。通过与没有液体表层时的完全固体介质模型相对比,研究了存在上覆液体表层时多阶模式面波频散曲线独特的形态特征,进一步引伸出在滩浅海进行地震勘探中应注意的问题。
　　 3、在多阶模式频散曲线反演方面,对反演参数进行了简化,通过细化分层将反演参数减少为只有一个横波速度变量,验证了细化分层方法用于频散曲线反演的可行性和有效性。与同时反演横波速度和层厚度的常规反演方法相比,细化分层方法避免了反演过程中改变分层数和层厚度等参数,大大简化了反演计算过程。这种方法既满足了反演分辨率的要求,又能使反演结果更接近真实情况。
　　 4、由于LM(Levenberg-Marquardt)反演方法对初始模型的依赖性较大,选择一个合理的初始模型在反演计算中起着至关重要的作用。本文将1／3(或1／2)波长深度处的横波速度Vs近似看做与瑞利波相速度VR相等,利用基阶模式的瑞利波速度(VR)-频率(f)数据对,通过公式z=LR／3和LR=VR／f来构造初始模型p0。某一深度处的横波速度可通过三次样条插值获得。按该方法计算的初始值p0基本上在模型的真实值ptrue附近,从而避免了初始值选取的盲目性,大大节约了反演迭代时间,保证了反演程序的快速性和稳定性。
　　 5、实现了用LM方法和GA(GeneticAlgorithm)方法进行基阶模式和多阶模式的反演,通过理论模型验证,得出GA方法的反演效果优于LM方法,但GA方法的缺点是反演耗时太长。鉴于GA方法的这一不足,本文提出了适于高阶模式反演的ULM(updatedLevenberg-Marquardt)反演方案,其反演精度与GA方法相当,但反演耗时远低于GA方法。因此,在实际应用中ULM方法既保证了较高的反演精度,又不至于耗时太长,是一种较为理想的反演方法。
　　 6、在野外数据频散数据提取方面实现了用f-k法、f-p法和相移法提取频散曲线,并对三种方法的提取效果进行了对比分析。对目前的频散曲线提取法方法进行了改进,结合f-p法和相移法的优点提出了f-p、相移叠加法,该方法兼顾了f-p法和相移法的优点,既补充了基阶模式低频段的信息,又保证了高阶模式得到有效分辨。
　　 7、通过对野外实际数据的处理和二维横波速度剖面的反演并与半波长近似法反演结果进行对比分析。半波长近似法反演只利用了1阶模式的数据,且进行了半波长近似,势必会影响反演精度。另外,由于反演分层需要处理人员有丰富的经验知识,处理结果易受人为因素的影响。而本文的研究由于采用了细化分层,反演过程无需人为控制分层,减少了人为因素的影响,同时可以实现多阶模式频散数据的反演,在一定程度上提高了反演精度。
　　 总之,本文通过将模拟单炮记录提取的频散曲线与用频散函数计算的理论频散曲线相对照的方法,探讨分析了瑞利波的频散特征及各模式的实际激发情况,深化了人们对于面波频散特征的认识,并且对面波地震勘探、无损检测等方面的实际应用具有重要的理论价值和实际意义。同时,为在滩浅海及湖泊等表层为液体覆盖层的地区进行面波地震勘探和研究提供了一定的研究思路和理论依据。
　　 论文实现了多阶模式频散数据的提取和反演,并对反演参数进行了细化分层,丰富了面波反演研究的内容,使得在实际应用中真正实现多阶模式频散数据的反演成为可能,弥补了目前仅仅用基阶模式进行面波反演这一不足,提高了反演精度。并编制了相应的处理程序,实际数据处理分析表明反演程序具有一定的经济效益和实用价值。本文的研究属国家863课题“反射地震面波提取与浅层结构探测技术”研究成果的一部分,是该课题所开发软件“反射地震多道瞬态面波分析与正反演软件(SW863V1.0)”的正演和反演部分。该软件目前已获得国家软件著作权登记(登记号:2008SR09155)。